Denne artikkelen inneholder en beskrivelse av noe som røntgendiffraksjon. Det fysiske grunnlaget for dette fenomenet og dets anvendelser er forklart her.
Teknologier for å lage nye materialer
Innovasjon, nanoteknologi er trenden i den moderne verden. Nyhetene er fulle av rapporter om nye revolusjonerende materialer. Men få mennesker tenker på hva et enormt forskningsapparat forskere trenger for å skape i det minste en liten forbedring av eksisterende teknologier. Et av de grunnleggende fenomenene som hjelper folk å gjøre dette er røntgendiffraksjon.
Elektromagnetisk stråling
Først må du forklare hva elektromagnetisk stråling er. Ethvert ladet legeme i bevegelse genererer et elektromagnetisk felt rundt seg selv. Disse feltene gjennomsyrer alt rundt, selv vakuumet i det dype rom er ikke fri fra dem. Hvis det i et slikt felt er periodiske forstyrrelser som kan forplante seg i rommet, kalles de elektromagnetisk stråling. For å beskrive det brukes begreper som bølgelengde, frekvens og dens energi. Hva som er energi er intuitivt, og bølgelengden er avstanden mellomidentiske faser (for eksempel mellom to tilstøtende maksima). Jo høyere bølgelengden (og følgelig frekvensen), jo lavere er energien. Husk at disse konseptene er nødvendige for å beskrive hva røntgendiffraksjon er konsist og kortfattet.
elektromagnetisk spektrum
Alle forskjellige elektromagnetiske stråler passer på en spesiell skala. Avhengig av bølgelengden skiller de (fra den lengste til den korteste):
- radiobølger;
- terahertz-bølger;
- infrarøde bølger;
- synlige bølger;
- ultrafiolette bølger;
- røntgenbølger;
- gammastråling.
Dermed har strålingen vi er interessert i en veldig kort bølgelengde og de høyeste energiene (det er derfor den noen ganger kalles hard). Derfor kommer vi nærmere å beskrive hva røntgendiffraksjon er.
Opprinnelsen til røntgenstråler
Jo høyere strålingsenergi, desto vanskeligere er det å få den kunstig. Etter å ha gjort en brann, mottar en person mye infrarød stråling, fordi det er det som overfører varme. Men for at diffraksjonen av røntgenstråler av romlige strukturer skal skje, må det gjøres mye innsats. Så denne typen elektromagnetisk stråling frigjøres når et elektron blir slått ut av skallet til et atom, som er nær kjernen. Elektronene som ligger over har en tendens til å fylle det resulterende hullet, deres overganger og gi røntgenfotoner. Også under kraftig retardasjon av ladede partikler med masse (f.eks.elektroner), produseres disse høyenergistrålene. Således er diffraksjonen av røntgenstråler på et krystallgitter ledsaget av forbruket av en ganske stor mengde energi.
I industriell skala oppnås denne strålingen som følger:
- Katoden sender ut et høyenergielektron.
- Elektron kolliderer med materialet i anoden.
- Elektronet bremser kraftig (mens det sender ut røntgenstråler).
- I et annet tilfelle slår den decelererende partikkelen et elektron ut av atomets lave bane fra anodematerialet, som også genererer røntgenstråler.
Det er også nødvendig å forstå at, som all annen elektromagnetisk stråling, har røntgenstråler sitt eget spektrum. Denne strålingen i seg selv brukes ganske mye. Alle vet at et brukket bein eller en masse i lungene letes etter ved hjelp av røntgen.
Struktur av en krystallinsk substans
Nå kommer vi i nærheten av hva røntgendiffraksjonsmetoden er. For å gjøre dette er det nødvendig å forklare hvordan en solid kropp er ordnet. I vitenskapen kalles et fast legeme ethvert stoff i krystallinsk tilstand. Tre, leire eller glass er solide, men de mangler det viktigste: en periodisk struktur. Men krystaller har denne fantastiske egenskapen. Selve navnet på dette fenomenet inneholder essensen. Først må du forstå at atomene i krystallen er stivt festet. Bindingene mellom dem har en viss grad av elastisitet, men de er for sterke til at atomer kan bevege seg rundt på innsiden.gitter. Slike episoder er mulige, men med en veldig sterk ytre påvirkning. For eksempel, hvis en metallkrystall er bøyd, dannes det punktdefekter av forskjellige typer i den: noen steder forlater atomet sin plass og danner en ledig plass, i andre beveger den seg til feil posisjoner og danner en interstitiell defekt. På stedet for bøyningen mister krystallen sin slanke krystallinske struktur, blir veldig defekt, løs. Derfor er det bedre å ikke bruke en binders som har vært ubøyd en gang, siden metallet har mistet sine egenskaper.
Hvis atomene er stivt fiksert, kan de ikke lenger ordnes tilfeldig i forhold til hverandre, som i væsker. De må organisere seg på en slik måte at de minimerer energien i samspillet deres. Dermed stiller atomene opp i et gitter. I hvert gitter er det et minimumssett med atomer arrangert på en spesiell måte i rommet - dette er krystallens elementære celle. Hvis vi kringkaster det helt, det vil si kombinere kantene med hverandre, skiftende i hvilken som helst retning, får vi hele krystallen. Det er imidlertid verdt å huske at dette er en modell. Enhver ekte krystall har defekter, og det er nesten umulig å oppnå en absolutt nøyaktig oversettelse. Moderne silisiumminneceller er nær ideelle krystaller. Men å få tak i dem krever utrolige mengder energi og andre ressurser. I laboratoriet oppnår forskerne perfekte strukturer av forskjellige slag, men som regel er kostnadene ved opprettelsen for høye. Men vi vil anta at alle krystaller er ideelle: i alleretning, vil de samme atomene ligge i samme avstand fra hverandre. Denne strukturen kalles et krystallgitter.
Studium av krystallstruktur
Det er på grunn av dette faktum at røntgendiffraksjon på krystaller er mulig. Den periodiske strukturen til krystaller skaper visse plan i dem, der det er flere atomer enn i andre retninger. Noen ganger er disse planene satt av symmetrien til krystallgitteret, noen ganger av det gjensidige arrangementet av atomer. Hvert fly er tildelt sin egen betegnelse. Avstandene mellom flyene er svært små: i størrelsesorden flere ångstrøm (husk, en ångstrøm er 10-10 meter eller 0,1 nanometer).
Det er imidlertid mange plan i samme retning i en hvilken som helst ekte krystall, selv en veldig liten. Røntgendiffraksjon som metode utnytter dette faktum: alle bølger som har endret retning på plan i samme retning summeres, og gir et ganske tydelig signal ved utgangen. Så forskere kan forstå i hvilke retninger disse planene er plassert inne i krystallen, og bedømme den interne strukturen til krystallstrukturen. Disse dataene alene er imidlertid ikke nok. I tillegg til helningsvinkelen, må du også kjenne avstanden mellom flyene. Uten dette kan du få tusenvis av forskjellige modeller av strukturen, men ikke vite det nøyaktige svaret. Hvordan forskere lærer om avstanden mellom flyene vil bli diskutert nedenfor.
Diffraksjonsfenomen
Vi har allerede gitt en fysisk begrunnelse for hva røntgendiffraksjon på det romlige gitteret til krystaller er. Imidlertid har vi ennå ikke forklart essensendiffraksjonsfenomener. Så diffraksjon er avrunding av hindringer med bølger (inkludert elektromagnetiske). Dette fenomenet ser ut til å være et brudd på loven om lineær optikk, men det er det ikke. Det er nært knyttet til interferens- og bølgeegenskapene til for eksempel fotoner. Hvis det er en hindring i veien for lys, kan fotoner på grunn av diffraksjon "se" rundt hjørnet. Hvor langt lysretningen beveger seg fra en rett linje avhenger av størrelsen på hindringen. Jo mindre hindringen er, desto kortere bør den elektromagnetiske bølgelengden være. Det er grunnen til at røntgendiffraksjon på enkeltkrystaller utføres ved bruk av så korte bølger: avstanden mellom planene er veldig liten, optiske fotoner vil rett og slett ikke "krype" mellom dem, men vil bare bli reflektert fra overflaten.
Et slikt konsept er sant, men i moderne vitenskap anses det for snevert. For å utvide definisjonen, så vel som for generell erudisjon, presenterer vi metoder for manifestasjon av bølgediffraksjon.
- Endre den romlige strukturen til bølger. For eksempel utvidelsen av forplantningsvinkelen til en bølgestråle, avbøyningen av en bølge eller en serie bølger i en foretrukket retning. Det er denne klassen av fenomener som bølgebøying rundt hindringer tilhører.
- Dekomponering av bølger til et spektrum.
- Endring i bølgepolarisering.
- Transformasjon av fasestrukturen til bølger.
Fenomenet diffraksjon, sammen med interferens, er ansvarlig for at når en lysstråle rettes mot en smal sp alte bak den, ser vi ikke én, men flerelysmaksima. Jo lenger maksimum er fra midten av sporet, desto høyere rekkefølge. I tillegg, med riktig innstilling av eksperimentet, deles skyggen fra en vanlig synål (selvfølgelig tynn) i flere striper, og lysmaksimum observeres nøyaktig bak nålen, og ikke minimum.
Wulf-Bragg-formel
Vi har allerede sagt ovenfor at sluttsignalet er summen av alle røntgenfotoner som reflekteres fra plan med samme helning inne i krystallen. Men en viktig relasjon lar deg beregne strukturen nøyaktig. Uten det ville røntgendiffraksjon vært ubrukelig. Wulf-Bragg-formelen ser slik ut: 2dsinƟ=nλ. Her er d avstanden mellom plan med samme helningsvinkel, θ er blikkvinkelen (Bragg-vinkel), eller innfallsvinkelen på planet, n er rekkefølgen til diffraksjonsmaksimum, λ er bølgelengden. Siden det er kjent på forhånd hvilket røntgenspektrum som brukes for å innhente data og i hvilken vinkel denne strålingen faller, lar denne formelen oss beregne verdien av d. Vi har allerede sagt litt høyere at uten denne informasjonen er det umulig å nøyaktig få strukturen til et stoff.
Moderne applikasjon av røntgendiffraksjon
Spørsmålet oppstår: i hvilke tilfeller er denne analysen nødvendig, har ikke forskere allerede utforsket alt i strukturens verden, og antar ikke folk, når de får grunnleggende nye stoffer, hva slags resultat som venter dem ? Det er fire svar.
- Ja, vi ble ganske godt kjent med planeten vår. Men hvert år blir det funnet nye mineraler. Noen ganger er strukturen deres jevntipper det ikke vil fungere uten røntgen.
- Mange forskere prøver å forbedre egenskapene til allerede eksisterende materialer. Disse stoffene utsettes for ulike typer prosessering (trykk, temperatur, lasere, etc.). Noen ganger legges elementer til eller fjernes fra strukturen deres. Røntgendiffraksjon på krystaller vil bidra til å forstå hvilke interne omorganiseringer som skjedde i dette tilfellet.
- For noen applikasjoner (f.eks. aktive medier, lasere, minnekort, optiske elementer i overvåkingssystemer), må krystaller være svært nøyaktig tilpasset. Derfor blir strukturen deres sjekket ved hjelp av denne metoden.
- Røntgendiffraksjon er den eneste måten å finne ut hvor mange og hvilke faser som ble oppnådd under syntese i flerkomponentsystemer. Keramiske elementer av moderne teknologi kan tjene som et eksempel på slike systemer. Tilstedeværelsen av uønskede faser kan føre til alvorlige konsekvenser.
romutforskning
Mange spør: "Hvorfor trenger vi enorme observatorier i jordens bane, hvorfor trenger vi en rover hvis menneskeheten ennå ikke har løst problemene med fattigdom og krig?"
Alle har sine egne grunner for og imot, men det er klart at menneskeheten må ha en drøm.
Derfor, når vi ser på stjernene, kan vi i dag si med selvtillit: vi vet mer og mer om dem hver dag.
Røntgenstråler fra prosesser som skjer i verdensrommet når ikke overflaten av planeten vår, de absorberes av atmosfæren. Men denne delenDet elektromagnetiske spekteret inneholder mye data om høyenergifenomener. Derfor må instrumenter som studerer røntgenstråler tas ut av jorden, i bane. For øyeblikket studerer eksisterende stasjoner følgende objekter:
- rester av supernovaeksplosjoner;
- sentre for galakser;
- nøytronstjerner;
- svarte hull;
- kollisjoner av massive objekter (galakser, grupper av galakser).
Overraskende nok, ifølge ulike prosjekter, er tilgang til disse stasjonene gitt til studenter og til og med skolebarn. De studerer røntgenstråler som kommer fra det dype rommet: diffraksjon, interferens, spektrum blir gjenstand for deres interesse. Og noen svært unge brukere av disse romobservatoriene gjør oppdagelser. En nitid leser kan selvfølgelig innvende at de bare har tid til å se på høyoppløselige bilder og legge merke til subtile detaljer. Og selvfølgelig er viktigheten av funn som regel bare forstått av seriøse astronomer. Men slike saker inspirerer unge mennesker til å vie livet til romutforskning. Og dette målet er verdt å forfølge.
Dermed åpnet prestasjonene til Wilhelm Conrad Roentgen tilgang til stjernekunnskap og evnen til å erobre andre planeter.
